电机轴电流的产生机理研究及其预防措施

倪 磊，胡承辉

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

电机在运行过程中，转轴两端或者转轴与地之间存在电势差，称之为轴电压[1]。轴电压通过某些导通路径产生电流，即为轴电流。导通路径中含有一些重要的部件或设备，比如电机轴承、负载轴承、负载侧啮合齿轮等，由于轴电流的作用会影响其正常工作，严重时会导致设备损毁、机组停机的事故。随着近年来变频器驱动的电机使用越来越多，以及“汽电双驱”等机组的投入使用，轴电流导致的设备故障也日益增多，因此研究电机轴电流的产生机理及其预防措施，就显得格外重要。

1 电机轴电流的产生机理

1.1 常规工频电源供电的电机轴电流

在常规工频电源供电时，电机产生轴电压主要的原因是磁路不对称。导致磁路不对称的原因有很多，常见的有定转子铁心冲片的拼缝、冲片的开孔(如轴向通风孔、拉紧螺杆孔等)、冲片的定位槽以及转子偏心等。其本质是磁通闭合回路中的磁阻不对称，导致在铁心中出现了畸变的“环形磁通”，进而产生了轴电压。以下就以一台8极异步电机为例，详细说明其轴电压产生的原因。

图1是一台8极异步电机磁通路径示意图。该电机定子铁心为扇形冲片叠压而成，圆周上为6拼。考虑电机定子铁心的整体性，拼缝为交错相叠(重叠数为2)，因此在整个定子铁心圆周上可以看作共12条拼缝。电机正常的磁通路径是从N极定子齿出发通过气隙，经过转子齿、转子轭部、转子齿再穿过气隙到达相邻S极定子齿，再经过定子轭部回到原点，形成闭合磁通回路。但当磁通路径中存在图1所示的拼缝时，在某些空间位置的磁通回路中需要在定子轭部穿过一条拼缝，而另外一些空间位置的磁通，如果按照“正常”的磁通路径，则需穿过两条拼缝。由于拼缝处的磁阻比硅钢片大很多，磁通会自动分配到磁阻较小的路径：当磁力线到达S极定子齿后，不会再穿过两条拼缝回到原出发点，而是继续穿过一条拼缝到达下一个N极的定子齿。以此类推，就会形成经过所有极的环形磁通回路。

图1 磁通路径示意图(8极共12拼缝)

如图2所示，我们把转轴-轴承-机座构成的机械回路看作一个线圈，由于环形磁通的存在，穿过该线圈的总磁通不再等于零。同时由于电机内部为交变磁场，产生的上述环形磁通也随时间交变，穿过转轴-轴承-机座“线圈”的总磁通为Φring(t)。根据磁通的变化ΔΦ，在转轴两端感应出交变的轴电压。如果轴电压经过轴承、机座或者大地形成导通回路，则会产生循环轴电流icirc。

图2 环形磁通、轴电压、轴电流示意图

以上是8极电机定子冲片6拼(重叠数为2，圆周共12条拼缝)产生轴电流的机理。如果把扇形片拼数改为8拼(重叠数为2，圆周共16条拼缝)，此时磁通路径示意图则如图3所示。

图3 磁通路径示意图(8极共16拼缝)

由图3分析可知，无论磁场旋转到哪个空间位置，磁力线按磁通路径磁阻最小的原则都会在一个极距的范围内闭合，不会形成环形磁通。所以，拼缝数是否会导致电机形成环形磁通进而产生轴电压，是由拼缝数与电机极数在空间的对应关系决定的。通过归纳可以得出：若冲片拼数为t，重叠数为n(一般为2)，电机极对数为p，产生轴电压的条件[2]为：

(1)

除了定、转子铁心冲片的拼缝之外，冲片上的开孔、冲片的定位槽也遵循上述规律，只需把(1)式中总拼缝数n×t理解为圆周均布的开孔数和定位槽数即可。

另外，转子偏心也会引起磁路不平衡进而产生轴电压，在2极电机中比较明显。主要是因为转子偏心后，两个极下的磁通经过的气隙长度不相等，即气隙磁阻不同。磁通路径根据磁阻大小进行分配，导致形成了匝链转轴的磁通，同样会在轴两端感应出轴电压。

1.2 变频器供电的电机轴电流

当电机采用电压型变频器供电时，会产生一个新的轴电流来源，即变频器的共模电压。当采用PWM切换的三相电压供电时，每相都含有很多次的谐波分量[3]。输出的三相电压即使基频分量是对称的，但无法使所有谐波分量都对称以满足瞬时三相电压矢量和为零。因此变频器瞬时中性点电压不为零，该电压就是共模电压的来源，故共模电压可看作变频器三相电压的零序分量。共模电压对电机轴电流的影响主要有以下几个方面。

1.2.1 高频环路磁通产生的高频循环轴电流

如图4所示，电机内部存在着各种杂散电容，如定子绕组与铁心机座间的电容CWF，转子与定子铁心机座间的电容CRF，定子绕组与转子间的电容CWR。变频器给电机供电时，变频器的共模电压作用在电容CWF上产生高频共模电流，也可以看作是绕组对地高频泄漏电流。由于对地泄漏电流的存在，使得定子绕组同一匝线圈的两条边流过的电流不相等。因此，整个绕组的净安匝数不为零。根据安培环路定律，将在定子铁心轭部产生环路磁通，并且高频共模电流的频率与变频器开关频率相关，可达几十kHz到几MHz。由此产生的高频环路磁通与常规电源供电时的环形磁通类似，在转轴-轴承-机座组成的回路中形成高频循环轴电流，并且与常规低频的循环轴电流相叠加。

图4 电机杂散电容及高频环路磁通示意图

1.2.2 轴对地电势产生的共模电流及电容放电电流

根据变频器共模电压在电机中的分布，可以得出电机侧的共模电路模型[4]，如图5所示。

图5 共模电路模型

图中Vcom为共模电压，Cb为驱动端轴承自身的电容，Cbn为非驱动端轴承自身的电容。从电路图中可以看出，当电机机座可靠接地之后，一部分的共模电压加在转子和地之间，即轴对地电势不为零。该电压常常作用在滚动轴承的内外圈或者滑动轴承的轴瓦与轴颈之间，记作Vb。由于存在轴对地电势，会有一部分容性电流从轴承流过，该轴电流为共模电流的一部分。当电压Vb超过轴承自身电容的击穿值(如油膜击穿)，会出现短时的放电电流，称作EDM电流。该电流也是变频电机常见轴电流的形式之一。

1.2.3 转轴接地后与机座电势差产生的轴电流

这种轴电流主要出现在电机机座未可靠接地，转轴通过负载侧机械接地的情况。共模电压产生的共模电流最终经过电机机座汇入大地返回至变频器中性点，由于共模电流的路径存在线路阻抗，特别是当电机机座接地处的阻抗较大时，电机机座对地就存在一定的电势差。

如果转轴通过负载接地，这时转轴与机座、轴承之间也就存在电势差，这个电势差也会产生脉冲式的容性轴电流。

2 电机轴电流的预防措施

通过对电机轴电流产生机理的研究分析，就可以采取对应的措施来防止轴电流的形成。

2.1 普通电机的轴电流预防措施

对于普通工频电源供电的电机来说，防止轴电流的主要措施是切断循环轴电流的回路。最简单的方法是对非轴伸端轴承采取绝缘措施，即采用绝缘轴承或者绝缘轴承座结构，就可以切断循环轴电流回路。在工程上为了方便测量轴承绝缘电阻，通常将电机两端轴承都设计为绝缘结构。但对于两端轴承绝缘的电机，如果处于整个机组的中间位置，例如图6所示的“汽电双驱”机组中电机两端都有机械设备相连接，此时仅靠电机轴承采取绝缘措施还是不能防止轴电流的。因为电机轴一端-离合器齿轮箱-大地-风机轴承-电机轴另一端也构成了循环轴电流的回路。如果不切断该轴电流回路，离合器齿轮箱和风机侧轴承都会受轴电流侵蚀甚至烧毁。因此在这类机组中防止轴电流最简单的方法，是至少将电机与其他设备联接的一侧联轴器绝缘。

图6 汽电双驱机组示意图

2.2 变频电机的轴电流预防措施

变频电机同样可以采取上述普通电机的措施切断循环轴电流回路，来防止高频循环轴电流的产生。除此之外，变频电机还须减小或者消除1.2.2和1.2.3节中所提到的轴电势。主要方法是将电机机座可靠接地，尽可能减小电机机座的接地阻抗，同时在转轴上增加接地电刷。

同时，在变频器输出侧安装共模电压滤波器，可以从源头上减小共模电压，对变频器供电的电机轴电流有非常好的抑制作用。

3 结语

普通工频电机在正常运行时产生的轴电流大多是由于磁路不对称，主要表现为低频循环电流。变频电机会额外增加轴电流的来源，主要是受变频器共模电压的影响，表现为高频循环电流、容性共模电流及放电电流、轴与机座电位差产生的脉冲式容性电流。在大型电机设计时，需尽量减少磁路的不对称，从源头上遏制轴电流的产生。同时，当机组中含有电机尤其是变频电机时，需要特别注意整个机组对轴电流的预防措施，这样才能保证机组平稳、可靠、安全运行。